第二章-数据采集技术.pptx

1第二章第二章 智能仪器的输入智能仪器的输入/输出通道输出通道及接口技术及接口技术2.1 数据采集概述数据采集概述2.2 模拟信号调理模拟信号调理2.3 量程自动转换技术量程自动转换技术2.4 A/D转换及接口技术转换及接口技术2.5 数据采集系统设计及举例数据采集系统设计及举例2.6 数据采集系统误差分析数据采集系统误差分析2.7 开关量输入通道开关量输入通道2.8 模拟量输出通道模拟量输出通道2.9 开关量输出通道开关量输出通道22.1 数据采集概述数据采集概述数据采集系统简称数据采集系统简称DAS（Data Acquisition System），是指将温），是指将温度、压力、流量、位移等模拟量进行采样、度、压力、流量、位移等模拟量进行采样、量化转换成数字量后，以便由计算机进行量化转换成数字量后，以便由计算机进行存储、处理、显示或打印的装置。存储、处理、显示或打印的装置。3多路模拟输入通道数据采集系统多路模拟输入通道数据采集系统 同时测量多种物理量或同一种物理量同时测量多种物理量或同一种物理量的多个测量点。的多个测量点。多路模拟输入通道可分为多路模拟输入通道可分为两大类型两大类型：集中式采集集中式采集分布式采集分布式采集传感器传感器模拟信号调理模拟信号调理数据采集电路数据采集电路微机系统微机系统图图、数据采集系统的基本组成数据采集系统的基本组成4一、多路模拟信号集中采集式一、多路模拟信号集中采集式1.1.集中式数据采集系统的典型结构之一集中式数据采集系统的典型结构之一传感器传感器1传感器传感器2传感器传感器3调理调理调理调理调理调理模模拟拟多多路路开开关关A/D计计算算机机控制逻辑控制逻辑S/HS/H多路共用采集电路分时采集多路共用采集电路分时采集52.2.集中式数据采集系统的典型结构之二集中式数据采集系统的典型结构之二传感器传感器1传感器传感器2传感器传感器3调理调理调理调理调理调理S/HS/H模模拟拟多多路路开开关关S/HA/D计计算算机机控制逻辑控制逻辑多路同步取样共用多路同步取样共用A/DA/D分时采集分时采集63.3.集中式数据采集系统的典型结构之三集中式数据采集系统的典型结构之三多通道同步采样多通道同步采样A/D，分时传输数据，分时传输数据多通道独立取样多通道独立取样A/D，有通道缓存，有通道缓存7通信接口通信接口上位机上位机数据数据采集站采集站1数据数据采集站采集站2数据数据采集站采集站3数据数据采集站采集站N模拟信号或数字信号模拟信号或数字信号网络式数据采集结构网络式数据采集结构二、分布式采集二、分布式采集8请总结每种数据采集系统结构的主要特点！及适用场合。92.2 模拟信号调理模拟信号调理数据采集系统信号调理（数据采集系统信号调理（Signal Signal ConditioningConditioning）的任务：）的任务：实现非电量信号向电信号的转换、小信号实现非电量信号向电信号的转换、小信号放大、滤波等；放大、滤波等；与软件配合实现零点校正、线性化处理、与软件配合实现零点校正、线性化处理、温度补偿、误差修正和量程切换等功能。温度补偿、误差修正和量程切换等功能。10传感传感器器前置前置放大放大滤滤波波程控程控放大放大滤滤波波采集采集电路电路 典型模拟调理电路的组成框图典型模拟调理电路的组成框图11传传感感器器是是信信号号输输入入通通道道的的第第一一环环节节，也也是是决定整个测试系统性能的关键环节之一。决定整个测试系统性能的关键环节之一。正确选用传感器：正确选用传感器：明明确确所所设设计计的的测测控控系系统统对对传传感感器器的的技技术术要求；要求；了了解解现现有有传传感感器器厂厂家家有有哪哪些些可可供供选选择择的的传感器传感器，自行设计传感器自行设计传感器一、传感器的选用一、传感器的选用12将被测量将被测量转换转换后续电路可用电量后续电路可用电量：1.1.测量范围：测量范围：与被测量实际变化范围相一致。与被测量实际变化范围相一致。2.2.测量精度：测量精度：符合整个测试系统根据总精度要求符合整个测试系统根据总精度要求而分配给传感器的精度指标；而分配给传感器的精度指标；3.3.转换速度（带宽）：转换速度（带宽）：符合整机要求；符合整机要求；4.4.能能满足满足被测介质和使用被测介质和使用环境的特殊要求环境的特殊要求，如耐，如耐高温、耐高压、防腐、抗振、防爆、抗电磁干扰、高温、耐高压、防腐、抗振、防爆、抗电磁干扰、体积小、质量轻和不耗电或耗电少等；体积小、质量轻和不耗电或耗电少等；5.5.能满足用户对能满足用户对可靠性和可维护性可靠性和可维护性的要求。的要求。(一一)传感器的主要技术指标传感器的主要技术指标13对对于于一一种种被被测测量量，常常常常有有多多种种传传感感器器可可以以测测量量，例例如如测测量量温温度度的的传传感感器器就就有有：热热电电偶偶、热热电电阻阻、热热敏敏电电阻阻、半半导导体体PN结结、IC温温度度传传感感器器、光光纤纤温温度度传传感感器器等等多多种种。在在都都能能满满足足测测量量范范围围、精精度度、速速度度、使使用用条条件件等等情情况况下下，应应侧侧重重考考虑虑成成本本低低、相相配配电电路路是是否否简简单单、可可靠靠性性等等因因素素进进行行取取舍舍，尽尽可可能能选选择择性性价价比比高高的的传传感感器。器。(二二)选用什么类型传感器选用什么类型传感器141.1.大信号输出传感器大信号输出传感器 :为了与为了与A/D输入要求相适应，传感器厂家输入要求相适应，传感器厂家开始设计、制造一些专门与开始设计、制造一些专门与A/D相配套的相配套的大信号输出传感器。大信号输出传感器。传感器传感器传感器传感器传感器传感器小信号放大小信号放大信号修正与变换信号修正与变换滤波滤波A/D微机微机微机微机I/V转换转换V/F光电耦合光电耦合小电流小电流小电压小电压大电压大电压大电流大电流图、图、大信号输出传感器的使用大信号输出传感器的使用152.2.频率输出式传感器：频率输出式传感器：采用频率敏感效应器件构成，也可以由采用频率敏感效应器件构成，也可以由敏感参数敏感参数R R、L L、C C构成的振荡器，或模拟构成的振荡器，或模拟电压输入经电压输入经 V/FV/F转换等。转换等。具有测量精度高、抗干扰能力强、便于具有测量精度高、抗干扰能力强、便于远距离传送等优点。远距离传送等优点。16频率量及开关量输出传感器的使用频率量及开关量输出传感器的使用传感器传感器放大放大整形整形光电光电隔离隔离计算机计算机传感器传感器整形整形光电光电隔离隔离计算机计算机频率频率输出输出开关量开关量输出输出17 集成传感器是将传感器与信号调理集成传感器是将传感器与信号调理电路做成一体。例如，将应变片、应变电路做成一体。例如，将应变片、应变电桥、线性化处理、电桥放大等做成一电桥、线性化处理、电桥放大等做成一体，构成集成压力传感器。体，构成集成压力传感器。采用集成传感器可以减轻输入通道的采用集成传感器可以减轻输入通道的信号调理任务，简化通道结构。信号调理任务，简化通道结构。3.3.集成传感器集成传感器184.4.光纤传感器：光纤传感器：这种传感器其信号拾取、变换、传输这种传感器其信号拾取、变换、传输都是通过光导纤维实现的，避免了电路都是通过光导纤维实现的，避免了电路系统的电磁干扰。系统的电磁干扰。光纤传感器可以从根本上解决由现场通光纤传感器可以从根本上解决由现场通过传感器引入的干扰。过传感器引入的干扰。19放放大大器器为为什什么么要要“前前置置”,即即设设置置在在调调理理电路的最前端？电路的最前端？前置放大器的放大倍数应该多大？前置放大器的放大倍数应该多大？二、运用前置放大器的依据二、运用前置放大器的依据当传感器输出信号比较小，必须选用前当传感器输出信号比较小，必须选用前置放大器进行放大。置放大器进行放大。20VINVOS前置放大器前置放大器K0后级电路后级电路KVISVIN0VON放大器噪声分析放大器噪声分析 总的等效输出噪声：总的等效输出噪声：总的等效输入噪声：总的等效输入噪声：21假定不设前放时，输入信号被电路噪声淹没，即：假定不设前放时，输入信号被电路噪声淹没，即：VISVIN，加入前放后，加入前放后，希望希望VISVIN，就必须使，就必须使VIN95dBuu-A/D转换技术转换技术uu片内数字抗混叠滤波及电压参考片内数字抗混叠滤波及电压参考uu最高采样率最高采样率50KHzuu差动模拟输入差动模拟输入uu单单+5V电源供电电源供电100 CS5360 CS5360功能框图功能框图 CS5380 CS5381101 数字接口电路功能框图数字接口电路功能框图 102 基于基于FPGAFPGA的数字接口电路部分的设计的数字接口电路部分的设计 接口功能框图接口功能框图 103 串并转换电路原理图串并转换电路原理图 104*高速高速A/D转换器转换器视频、数字示波器、频谱测试、雷达视频、数字示波器、频谱测试、雷达 采样率采样率10MHz10MHz以上以上1052.5 数据采集系统设计及举例数据采集系统设计及举例 一、系统设计考虑的因素一、系统设计考虑的因素 二、二、A/DA/D转换器的选择要点转换器的选择要点 三、采样保持器三、采样保持器S/HS/H的选择的选择 四、多路测量通道的串音问题四、多路测量通道的串音问题 五、主放大器的设置五、主放大器的设置 六、数据采集系统实例六、数据采集系统实例106一、采集系统设计考虑的主要因素一、采集系统设计考虑的主要因素v 输入信号的特性输入信号的特性 v 对数据采集系统性能的要求对数据采集系统性能的要求v 接口特性接口特性107输入信号的特性：输入信号的特性：1.1.信号的数量信号的数量2.2.信信号号的的输输入入方方式式（单单端端、差差动动、单单极极性性、双双极极性，接地、浮地性，接地、浮地）3.3.信号的强弱及动态范围信号的强弱及动态范围4.4.信号的频带宽度信号的频带宽度5.5.信号是周期还是瞬态信号是周期还是瞬态6.6.信号中的噪声信号中的噪声7.7.共模电压大小共模电压大小8.8.信号源的阻抗信号源的阻抗108对数据采集系统性能的要求：对数据采集系统性能的要求：1.系统的系统的采样速率采样速率2.系统的分辨率系统的分辨率3.系统的精度系统的精度1.1.主机（主机（PCPC、MCUMCU、DSPDSP）2.2.并行、串行、总线并行、串行、总线3.3.数据的编码格式数据的编码格式 接口特性接口特性 ：109二、二、A/DA/D转换器的选择要点转换器的选择要点1.A/D1.A/D转换位数转换位数2.2.转换速度转换速度3.3.环境条件环境条件 4.4.接口接口110三、采样保持器三、采样保持器S/HS/H的选择的选择 在在A/D转换过程中，输入信号应保持不变。转换过程中，输入信号应保持不变。采样采样/保持器可以取出输入信号某一瞬间的值并在一定保持器可以取出输入信号某一瞬间的值并在一定时间内保持不变。时间内保持不变。采样采样/保持器有两种工作方式，即保持器有两种工作方式，即采样采样方式和方式和保持保持方式。方式。在采样方式下，其输出跟随模拟输入电压；在保持方式下，在采样方式下，其输出跟随模拟输入电压；在保持方式下，其输出将保持采样命令发出时刻的输入电压值，直到保持命其输出将保持采样命令发出时刻的输入电压值，直到保持命令撤销为止。令撤销为止。111112最大孔径误差最大孔径误差在在数数据据采采集集系系统统中中，若若要要求求最最大大孔孔径径误误差差不不超超过过q q，则由此限定的被转换信号的最高频率为则由此限定的被转换信号的最高频率为:113不加采样不加采样/保持器保持器加采样加采样/保持器保持器一个一个12位位ADC，tc=25s信信号频率不能超过号频率不能超过1.5Hz。tAP=10nsfmax=3750Hz114A/DA/D转换时间转换时间t tC C 内内S/HS/H理想情况下应保持不变理想情况下应保持不变存在输出电压的跌落存在输出电压的跌落I ID D为流过保持电为流过保持电容容C CH H的漏电流的的漏电流的代数和代数和:模拟开模拟开关断开时的漏电关断开时的漏电流、保持电容本流、保持电容本身的介质漏电和身的介质漏电和介质吸附效应引介质吸附效应引起的电荷变化起的电荷变化。115四、多路测量通道的串音问题四、多路测量通道的串音问题MUXMUX电路模型电路模型 模拟开关的断模拟开关的断开电阻开电阻R Roffoff不是不是无穷大和多路无穷大和多路模拟开关中存模拟开关中存在寄生电容的在寄生电容的缘故。缘故。低频等效电路低频等效电路 高频等效电路高频等效电路RiRoffRon116例例:设八路输入转换开关设八路输入转换开关,导通电阻导通电阻100欧姆欧姆,关断时单路漏电流关断时单路漏电流1A。输入信号是温度传感器输出电。输入信号是温度传感器输出电压，内阻压，内阻400欧姆。试估算漏电流欧姆。试估算漏电流产生的误差。产生的误差。117(1)(1)为为减减少少漏漏电电流流影影响响,减减小小信信号号源源内内阻阻R Ri i，为为此前级应采用电压跟随器；此前级应采用电压跟随器；(2)(2)选用选用R Ronon极小、极小、R Roffoff极大的开关管；极大的开关管；(3)(3)减少输出端并联的开关数减少输出端并联的开关数N N。(4)(4)减小串音应选用寄生电容小的减小串音应选用寄生电容小的MUXMUX。(5)(5)模拟开关不用的输入端接地。模拟开关不用的输入端接地。118大作业大作业 设计一个设计一个8通道温度数据采集系统，系统误差小于通道温度数据采集系统，系统误差小于1%；其中；其中4路测量范围路测量范围0-200 C，选用，选用Pt100热电阻；热电阻；另另4路路测量范围测量范围0-600 C，选用，选用K分度热电偶。要求：分度热电偶。要求：1、画出系统组成框图；、画出系统组成框图；2、完成硬、软件功能分配；、完成硬、软件功能分配；3、完成芯片选型；、完成芯片选型；4、进行系统误差计算验证；、进行系统误差计算验证；5、用、用Protel软件画出电路原理图；软件画出电路原理图；6、用、用Protel软件设计软件设计PCB板；板；7、画出系统软件流程图；、画出系统软件流程图；8、根据后续教学内容，增加系统功能。、根据后续教学内容，增加系统功能。1192.6 数据采集系统误差分析数据采集系统误差分析1 1采样误差采样误差(1)(1)采样频率引起的误差采样频率引起的误差为了有效地恢复原来的信号，采样频率必须大于为了有效地恢复原来的信号，采样频率必须大于信号最高有效频率信号最高有效频率fH的两倍。如果不满足奈奎斯特采的两倍。如果不满足奈奎斯特采样定理，将产生混叠误差。为了避免输入信号中杂样定理，将产生混叠误差。为了避免输入信号中杂散频率分量的影响，在采样预处理之前，用截止频散频率分量的影响，在采样预处理之前，用截止频率为率为fH的低通滤波器，即抗混叠滤波器进行滤波。的低通滤波器，即抗混叠滤波器进行滤波。另外，可以通过提高采样频率的方法消除混叠误另外，可以通过提高采样频率的方法消除混叠误差。在智能仪器或自动化系统中，如有可能，往往差。在智能仪器或自动化系统中，如有可能，往往选取高于信号最高频率选取高于信号最高频率10倍甚至几十倍的采样频率。倍甚至几十倍的采样频率。120(2)(2)系统的通过速率与采样误差系统的通过速率与采样误差多路数据采集系统在工作过程中，需要不断地切多路数据采集系统在工作过程中，需要不断地切换模拟开关，采样保持器也交替地工作在采样和保换模拟开关，采样保持器也交替地工作在采样和保持状态下，采样是个动态过程。持状态下，采样是个动态过程。影响系统通过速率的主要因素：影响系统通过速率的主要因素：采样保持器的时间及精度指标采样保持器的时间及精度指标多路模拟转换器的切换时间多路模拟转换器的切换时间A/D转换时间转换时间放大器的稳定时间放大器的稳定时间 等。等。121设计数据采集系统选择器件时，必须使器件的设计数据采集系统选择器件时，必须使器件的速度指标满足系统通过速率速度指标满足系统通过速率(吞吐时间吞吐时间)的要求，模的要求，模拟开关、采样保持器和拟开关、采样保持器和A AD D转换器的动态参数必须转换器的动态参数必须满足式满足式式中：式中：N-N-采集路数；采集路数；t tTHTH-通过周期（各环节所需时间之和）通过周期（各环节所需时间之和）否则在数据采集过程中，由于模拟开关的切换未完否则在数据采集过程中，由于模拟开关的切换未完成，或者采样保持器的信号末稳定，或者成，或者采样保持器的信号末稳定，或者A AD D转换转换器的转换和数据输出未结束，从而造成采集、转换器的转换和数据输出未结束，从而造成采集、转换的数据误差很大。的数据误差很大。如果使用数据采集系统芯片，特别要注意芯片如果使用数据采集系统芯片，特别要注意芯片的的“采样速率采样速率”，这一指标已综合了数据采集系统，这一指标已综合了数据采集系统各部分电路的动态参数。各部分电路的动态参数。1222 2模拟电路的误差模拟电路的误差(1)(1)模拟开关导通电阻模拟开关导通电阻RmRm的误差的误差模拟开关存在一定的导通电阻，信号经过模拟开关模拟开关存在一定的导通电阻，信号经过模拟开关会产生压降。模拟开关的负载一般是采样保持器或放会产生压降。模拟开关的负载一般是采样保持器或放大器。显然，开关的导通电阻大器。显然，开关的导通电阻Rm越大，信号在开关上越大，信号在开关上的压降越大，产生的误差也越大。另外，导通电阻的的压降越大，产生的误差也越大。另外，导通电阻的平坦度平坦度 Rm表明导通电阻的起伏，导通电阻的变化会表明导通电阻的起伏，导通电阻的变化会使放大器或采样保持器的输入信号波动，引起误差。使放大器或采样保持器的输入信号波动，引起误差。误差的大小和开关的负载的输入阻抗有关。一般模拟误差的大小和开关的负载的输入阻抗有关。一般模拟开关的导通电阻为开关的导通电阻为100300，放大器、采样保持器的，放大器、采样保持器的输入阻抗为输入阻抗为1061012左右，故由导通电阻引起的输入左右，故由导通电阻引起的输入信号误差可以忽略不计。信号误差可以忽略不计。如果负载的输入阻抗较低，为了减少误差，可以选如果负载的输入阻抗较低，为了减少误差，可以选择低阻开关，有的模拟开关的电阻小于择低阻开关，有的模拟开关的电阻小于100，如，如MAX312314的导通电阻仅为的导通电阻仅为10。123(2)(2)多路模拟转换器泄漏电流多路模拟转换器泄漏电流IsIs引起的误差引起的误差模拟开关断开的泄漏电流模拟开关断开的泄漏电流Is一般在一般在1nA左右。当左右。当某一路接通时，其余各路均断开，它们的泄漏电流某一路接通时，其余各路均断开，它们的泄漏电流Is都经过导通的开关和这一路的信号源流入地，在信号都经过导通的开关和这一路的信号源流入地，在信号源的内阻上产生电压降，引起误差。例如，一个源的内阻上产生电压降，引起误差。例如，一个8路路模拟转换器，泄漏电流模拟转换器，泄漏电流Is为为InA，信号源内阻，信号源内阻50，断开的断开的7路泄漏电流路泄漏电流Is 在导通这一路的信号源内阻上在导通这一路的信号源内阻上产生的压降为产生的压降为110-97500.35uV。可见，如果信号源的内阻小，泄漏电流影响不大，可见，如果信号源的内阻小，泄漏电流影响不大，有时可以忽略。如果信号源内阻很大，而且信号源输有时可以忽略。如果信号源内阻很大，而且信号源输出的信号电平较低，就需要考虑模拟开关的泄漏电流出的信号电平较低，就需要考虑模拟开关的泄漏电流的影响。一般希望泄漏电流越小越好。的影响。一般希望泄漏电流越小越好。124(3)(3)采样保持器衰减率引起的误差采样保持器衰减率引起的误差在保持阶段，保持电容的漏电流会使保持电压不断在保持阶段，保持电容的漏电流会使保持电压不断地衰减，衰减率为：地衰减，衰减率为：式中，式中，ID为流入保持电容为流入保持电容CH的总泄漏电流。的总泄漏电流。ID包括采样保持器中的缓冲放大器的输入电流和模包括采样保持器中的缓冲放大器的输入电流和模拟开关截止时的漏电流以及电容内部的漏电流。如果拟开关截止时的漏电流以及电容内部的漏电流。如果衰减率大，在衰减率大，在AD转换期间保持电压减小，影响测量转换期间保持电压减小，影响测量准确度。一般选择漏电流小的聚四氟乙烯等优质电容，准确度。一般选择漏电流小的聚四氟乙烯等优质电容，可以使衰减率引起的误差忽略不计。增大电容的容量可以使衰减率引起的误差忽略不计。增大电容的容量也可以减少衰减率，但电容太大会影响系统的采样速也可以减少衰减率，但电容太大会影响系统的采样速率。率。125(4)(4)放大器的误差放大器的误差数据采集系统往往需要使用放大器对信号进行放数据采集系统往往需要使用放大器对信号进行放大并归一化。如果输入信号分散在不同的地方而且信大并归一化。如果输入信号分散在不同的地方而且信号比较小，则给每路设置一个放大器，将信号放大后号比较小，则给每路设置一个放大器，将信号放大后再传输。如果信号比较集中且不要求同步采样，多路再传输。如果信号比较集中且不要求同步采样，多路信号可共用一个可程控放大器。由于多路信号幅值的信号可共用一个可程控放大器。由于多路信号幅值的差异可能很大，为了充分发挥差异可能很大，为了充分发挥AD转换器的分辨率，转换器的分辨率，又不使其过载，可以针对不同信号的幅度调节程控放又不使其过载，可以针对不同信号的幅度调节程控放大器的增益，使加到大器的增益，使加到AD转换器输入端的模拟电压转换器输入端的模拟电压幅值满足幅值满足 。放大器是系统的主要误差源之一。其中有放大器放大器是系统的主要误差源之一。其中有放大器的非线性误差、增益误差、零位误差等。在计算系统的非线性误差、增益误差、零位误差等。在计算系统误差时必须把它们考虑进去。误差时必须把它们考虑进去。1263 3A AD D转换器的误差转换器的误差AD转换器是数据采集系统中的重要转换器是数据采集系统中的重要部件，它的性能指标对整个系统起着至关部件，它的性能指标对整个系统起着至关重要的作用，也是系统中的重要误差源。重要的作用，也是系统中的重要误差源。选择选择AD转换器时，必须从精度和速度两转换器时，必须从精度和速度两方面考虑选用方面考虑选用AD转换器，要考虑它的位转换器，要考虑它的位数、速度及输出接口。数、速度及输出接口。1274 4数据采集系统误差的计算数据采集系统误差的计算计算数据采集系统误差时，必须对各部计算数据采集系统误差时，必须对各部分电路进行仔细分析，找出主要矛盾，忽略分电路进行仔细分析，找出主要矛盾，忽略次要的因素，分别计算各部分的相对误差，次要的因素，分别计算各部分的相对误差，然后进行误差综合。然后进行误差综合。如果误差项在如果误差项在5项以上，按方均根形式项以上，按方均根形式综合为宜；综合为宜；若误差项在若误差项在5项以下，按绝对值和的方项以下，按绝对值和的方式综合为宜。式综合为宜。128按方均根形式综合误差的表达式为：按方均根形式综合误差的表达式为：按绝对值和方式综合误差的表达式为：按绝对值和方式综合误差的表达式为：式中，式中，MUX为多路模拟转换器的误差；为多路模拟转换器的误差；AMP为放大器的误差；为放大器的误差；SH为采样保持器的误差；为采样保持器的误差；ADC为为AD转换器的误差。转换器的误差。1293 3、数据采集系统的误差分配举例、数据采集系统的误差分配举例设计一个数据采集系统，一般首先给定精度要设计一个数据采集系统，一般首先给定精度要求、工作温度、通道数目和信号特征等条件，然求、工作温度、通道数目和信号特征等条件，然后根据条件，初步确定通道的结构方案和选择元后根据条件，初步确定通道的结构方案和选择元器件。器件。之后，应根据通道的总精度要求，给各个环节之后，应根据通道的总精度要求，给各个环节分配误差，以便选择元器件。通常传感器和信号分配误差，以便选择元器件。通常传感器和信号放大电路所占的误差比例最大，其他各环节如采放大电路所占的误差比例最大，其他各环节如采样保持器和样保持器和AD转换器等误差，可以按选择元器转换器等误差，可以按选择元器件精度的一般规则和具体情况而定。件精度的一般规则和具体情况而定。130选择元器件精度的一般规则是：每一个元器件的选择元器件精度的一般规则是：每一个元器件的精度指标应该优于系统规定的某一最严格性能指标的精度指标应该优于系统规定的某一最严格性能指标的1010倍左右。例如，要构成一个要求倍左右。例如，要构成一个要求0.10.1级精度性能级精度性能的数据采集系统，所选择的的数据采集系统，所选择的A AD D转换器、采样保持器转换器、采样保持器和模拟多路转换器组件的精度都应该不大于和模拟多路转换器组件的精度都应该不大于0.010.01。初步选定各个元器件之后，还要根据各个元器件初步选定各个元器件之后，还要根据各个元器件的技术特性和元器件之间的相互关系核算实际误差，的技术特性和元器件之间的相互关系核算实际误差，并且按绝对值和的形式或方均根形式综合各类误差，并且按绝对值和的形式或方均根形式综合各类误差，检查总误差是否满足给定检查总误差是否满足给定 的指标。如果不合格，应的指标。如果不合格，应该分析误差，重新选择元器件及进行误差的分析综合，该分析误差，重新选择元器件及进行误差的分析综合，直至达到要求。直至达到要求。下面举例说明下面举例说明。131例：设计一个远距离测量室内温度的模拟例：设计一个远距离测量室内温度的模拟输入通道。要求：输入通道。要求：已知满量程为已知满量程为100100，共有，共有8 8路信号，要求路信号，要求模拟输入通道的总误差为模拟输入通道的总误差为1.0(1.0(即相对误差即相对误差1 1)，环境温度为，环境温度为25251515，电源波动为，电源波动为1 1。模拟输入通道的设计可按以下步骤进行。模拟输入通道的设计可按以下步骤进行。1方案选择方案选择鉴于温度的变化一般很缓慢，故可以选择多通道鉴于温度的变化一般很缓慢，故可以选择多通道共享采样保持器和共享采样保持器和AD转换器的通道的结构方案，转换器的通道的结构方案，温度传感器及放大电路如下页图。温度传感器及放大电路如下页图。1322 2误差分配误差分配由于传感器和信号放大电路是整个通道总误差的由于传感器和信号放大电路是整个通道总误差的主要部分，故将总误差的主要部分，故将总误差的90(即即0.9的误差的误差)分配分配至该部分。该部分的相对误差为至该部分。该部分的相对误差为0.9，数据采集、，数据采集、转换部分和其他环节的相对误差为转换部分和其他环节的相对误差为0.1。1333 3初选元器件与误差估算初选元器件与误差估算(1)(1)传感器选择与误差估算传感器选择与误差估算由于是远距离测量，且测量范围不大，故选择电流输出型集由于是远距离测量，且测量范围不大，故选择电流输出型集成温度传感器成温度传感器AD590K。由技术手册可查出：。由技术手册可查出：1)AD590K的线性误差为的线性误差为0.20。2)AD590K的电源抑制误差：当的电源抑制误差：当5VVS15V时，时，AD590K的的电源抑制系数为电源抑制系数为0.2V。现设供电电压为。现设供电电压为10V，Vs变化为变化为0.1，则由此引起的误差为，则由此引起的误差为0.02。3)电流电压变换电阻的温度系数引入误差：电流电压变换电阻的温度系数引入误差：AD590K(的电流的电流输出远传至采集系统的信号放大电路，需先经电阻变为电压信号。输出远传至采集系统的信号放大电路，需先经电阻变为电压信号。电阻值为电阻值为1k，该电阻误差选为，该电阻误差选为0.1，电阻温度系数为，电阻温度系数为1010-6/。AD590K灵敏度为灵敏度为1uA。在。在0时输出电流为时输出电流为273.2uA。所以，当环境温度变化。所以，当环境温度变化15时，它所产生的最大误差电压时，它所产生的最大误差电压(当当所测量温度为所测量温度为100时时)为为(273.210-6)(1010-6)15103V4.010-5V0.04mV(相当于相当于0.1)134(2)(2)信号放大电路的误差估算信号放大电路的误差估算AD590K的电流输出经电阻转换成最大量程为的电流输出经电阻转换成最大量程为100mV的电压，的电压，而而AD的满量程输入电压为的满量程输入电压为10V，故需加一级放大电路。现选用，故需加一级放大电路。现选用仪用放大电路仪用放大电路AD522B，放大器输入加一偏置电路。将传感器，放大器输入加一偏置电路。将传感器AD590K(在在0时的输出值时的输出值273.2mV进行偏移，以使进行偏移，以使0时输出电时输出电压为零。为此，尚需一个偏置电源和一个分压网络，由压为零。为此，尚需一个偏置电源和一个分压网络，由AD580LH及及R2，RP1，及，及R3构成的电路如图。偏置后，构成的电路如图。偏置后，100时时AD522B的输出信号为的输出信号为10V，显然，放大器的增益为，显然，放大器的增益为100。1)参考电源参考电源AD580LH的温度系数引起的误差：的温度系数引起的误差：AD580LH用用来产生来产生2732mV的偏置电压，其电压温度系数为的偏置电压，其电压温度系数为2510-6/，当温度变化土当温度变化土15时，偏置电压出现的误差为：时，偏置电压出现的误差为：(273.210-3)(2510-6)15V1.010-4V0.1mV(相当于相当于0.1)1352)电阻电压引入的误差：电阻电阻电压引入的误差：电阻R2和和R3的温度系数为的温度系数为1010-6/，15温度变化引起的偏置电压的变化为温度变化引起的偏置电压的变化为(273.210-3)(1010-6)15V4.010-5V0.04mV(相当于相当于0.04)3)仪用放大器仪用放大器AD522B的共模误差：其增益为的共模误差：其增益为100，此时的，此时的CMRR的最小值为的最小值为100dB，共模电压为，共模电压为273.2mV，故产生的共模，故产生的共模误差为误差为(273.210-3)10-5V2.710-6V2.7uV(该误差可以忽略该误差可以忽略)4)AD522B的失调电压温漂引起的误差：它的失调电压温度的失调电压温漂引起的误差：它的失调电压温度系数为系数为2uV，输出失调电压温度系数为，输出失调电压温度系数为25uV，折合，折合到输入端，总的失调电压温度系数为到输入端，总的失调电压温度系数为2.5uV。温度变化为。温度变化为15时，输入端出现的失调漂移为时，输入端出现的失调漂移为(2.510-6)15V 310-5V0.03mV(相当于相当于0.03)1365)AD522B的增益温度系数产生的误差：其增益为的增益温度系数产生的误差：其增益为1000时的时的最大温度系数等于最大温度系数等于2510-6/。增益为。增益为100时，温度系数要小于时，温度系数要小于这一数值，如仍取这一数值，且设所用增益电阻温度系数为这一数值，如仍取这一数值，且设所用增益电阻温度系数为1010-6/，环境温度变化，环境温度变化15时的最大温度增益误差为时的最大温度增益误差为(25+10)10-6151000.05在在100时，该误差折合到放大器输入端为时，该误差折合到放大器输入端为0.05mV，相当于，相当于0.05。6)AD522B线性误差：其非线性在增益为线性误差：其非线性在增益为100时近似等于时近似等于0.002，输出，输出10V摆动范围产生的线性误差为摆动范围产生的线性误差为100.002V210-4V0.2mV(相当于相当于0.2)现按绝对值和的方式进行误差综合，则传感器、信号放大电现按绝对值和的方式进行误差综合，则传感器、信号放大电路的总误差为路的总误差为(0.2+0.02+0.04+0.10+0.04+0.03+0.05+0.20)0.68若用方均根综合方式，这两部分的总误差为若用方均根综合方式，这两部分的总误差为:0.31估算结果表明，传感器和信号放大电路部分满足误差分配的估算结果表明，传感器和信号放大电路部分满足误差分配的要求。要求。137(3)A(3)AD D转换器、采样保持器和多路转换器的误差估算转换器、采样保持器和多路转换器的误差估算因为分配给该部分的总误差不能大于因为分配给该部分的总误差不能大于0.1，所以，所以AD转换转换器、采样保持器、多路转换器的线性误差应小于器、采样保持器、多路转换器的线性误差应小于0.01。为了能。为了能正确地做出误差估算，需要了解这部分器件的技术特性。正确地做出误差估算，需要了解这部分器件的技术特性。1)技术特性：设初选的技术特性：设初选的AD转换器、采样保持器、多路转换转换器、采样保持器、多路转换器的技术特性如下：器的技术特性如下：AD转换器为转换器为MAXl240，其有关技术特性如下：，其有关技术特性如下：线性误差为线性误差为0.012(FSR)。微分线性误差为微分线性误差为1LSB。增益温度系数增益温度系数(max)为为0.2510-6/。失调温度系数失调温度系数(max)为为0.6810-6/。电压灵敏度为电压灵敏度为3.6V0.0008。输入模拟电压范围为输入模拟电压范围为1.0V3.6V。转换时间为转换时间为5.5us7.5us。138采样保持器为采样保持器为ADSHC-85，其有关技术特性如下：，其有关技术特性如下：增益非线性为增益非线性为0.01。增益误差为增益误差为0.01。增益温度系数为增益温度系数为1010-6/。输入失调温度系数为输入失调温度系数为100uV。输入电阻为输入电阻为1011。电源抑制为电源抑制为200uAV。输入偏置电流为输入偏置电流为0.5nA。捕获时间捕获时间(10V阶跃输入、输出为输入值的阶跃输入、输出为输入值的0.01)为为4.5us。保持状态稳定时间为保持状态稳定时间为0.5us。衰变速率衰变速率(max)为为0.5mVms。衰变速率随温度的变化为温度每升高衰变速率随温度的变化为温度每升高10，衰变数值加倍。，衰变数值加倍。多路开关为多路开关为AD7501或或AD7503，其主要技术特性如下：，其主要技术特性如下：导通电阻为导通电阻为300。输出截止漏电流为输出截止漏电流为10nA(在整个工作温度范围内不超过在整个工作温度范围内不超过250nA)。139 2)2)常温常温(25)(25)下误差估算：下误差估算：常温下误差估算包括多路转换器误差、采集器误差常温下误差估算包括多路转换器误差、采集器误差和和AD转换器误差的估算。转换器误差的估算。多路转换器误差估算：设信号源内阻为多路转换器误差估算：设信号源内阻为100，则，则8个开关截止漏电流在信号源内阻上的压降为个开关截止漏电流在信号源内阻上的压降为1010-68V0.08uV(可以忽略可以忽略)开关导通电阻和采样保持器输入电阻的比值，决定开关导通电阻和采样保持器输入电阻的比值，决定了开关导通电阻上输入信号压降所占比例，即了开关导通电阻上输入信号压降所占比例，即300/1011=3*10-9 (可以忽略可以忽略)采样保持器的误差估算。采样保持器的误差估算。线性误差为线性误差为0.01。输入偏置电流在开关导通电阻和信号源内阻上所产输入偏置电流在开关导通电阻和信号源内阻上所产生的压降为生的压降为(300+10)0.510-9V1.610-7V0.16uV(忽略忽略)140AD转换器的误差估算转换器的误差估算：线性误差为线性误差为0.012。量化误差为量化误差为1/2121000.024。滤波器的混叠误差取为滤波器的混叠误差取为0.01。采样保持器和。采样保持器和AD转换器的增益和失调误差，均可以通过零点和增益调整转换器的增益和失调误差，均可以通过零点和增益调整来消除。来消除。按绝对值和的方式进行误差综合，系统总误差为混按绝对值和的方式进行误差综合，系统总误差为混叠误差、采样保持器的线性误差以及叠误差、采样保持器的线性误差以及AD转换器的线转换器的线性误差与量化误差之和，即性误差与量化误差之和，即(0.01+0.01+0.012+0.024)0.056 按方均根形式综合，总误差为